寬帶隙稀磁半導體納晶的特性研究.pdf

1、稀磁半導體材料和納米材料是當前國際兩大重點研究領(lǐng)域。稀磁半導體納晶材料則集兩者特點于一身，更是備受關(guān)注，探索稀磁納晶材料的新穎特性和調(diào)控手段成為當前研究的熱點。
　　 本論文簡要回顧了自旋電子學、寬帶隙稀磁半導體和低維相的研究歷史和現(xiàn)狀；詳細闡述了密度泛函理論以及電子結(jié)構(gòu)計算方法；離散變分方法和ADF以及原子模擬方法。
　　 首先利用第一性原理電子結(jié)構(gòu)計算方法系統(tǒng)考察了寬帶隙稀磁半導體Mn/Cr-GaN納晶團簇的電子結(jié)構(gòu)

2、和磁學特性，深入研究了該納晶體系的對稱性，表面吸附原子和磁學特性間的關(guān)系；最后采用原子模擬方法對過渡金屬Co/Fe摻雜不同尺寸ZnO 納晶團簇的缺陷分布特性進行了研究。
　　 本研究表明，具有Oh對稱的Ga12MnN14H24，Ga12MnN14H32和Ga12MnN14H38巖鹽型納晶團簇，每個Ga原子上吸附2個H原子，每個頂角和面心處N原子上無或吸附一個H原子，H原子覆蓋度為44[％]，59[％]和70[％]，其納晶團簇的總

3、磁矩均為3μB。而Cr摻雜時為2μB。具有Oh對稱的Ga12Mn(Cr)N14H48巖鹽型納晶團簇，每個Ga原子吸附2個H原子，每個頂角處N原子吸附3個H原子，這樣H原子覆蓋度為89[％]。對于Mn摻雜情形，發(fā)現(xiàn)了一個低自旋基態(tài)結(jié)構(gòu)和一個高自旋亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，總磁矩分別為1μB和5μB，能量差僅為0.03eV，兩態(tài)間的渡越勢壘為0.17eV，0.14eV。然而對于Cr 摻雜情形，只得到一個總磁矩為3.8μB的磁性基態(tài)結(jié)構(gòu)。繼續(xù)在每個面心處N

4、原子上吸附一個H原子，使H原子覆蓋度達到100[％]，此時Ga12MnN14H54納晶團簇僅有一個總磁矩為5μB的高自旋基態(tài)。具有D4h對稱的Ga12Mn(Cr)N14H40巖鹽型納晶團簇，H原子覆蓋度為74[％]，其中每個Ga原子吸附2個H原子，每個頂角處N原子吸附2個H原子。對于Mn摻雜情形，發(fā)現(xiàn)了一個低自旋基態(tài)結(jié)構(gòu)和兩個高自旋亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，總磁矩分別為1μB，3μB和5μB，磁亞穩(wěn)態(tài)能量比基態(tài)高0.10eV，0.15eV。對于Cr摻

5、雜情形，同樣發(fā)現(xiàn)了一個低自旋基態(tài)結(jié)構(gòu)和兩個高自旋亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，總磁矩分別為0.2μB，2μB和4μB，磁亞穩(wěn)態(tài)能量比基態(tài)高0.01eV，0.08eV。多重磁態(tài)主要來源于Mn/Cr與近鄰N原子的鐵磁或反鐵磁耦合。對于具有Td對稱的Ga12MnN16H36閃鋅礦型納晶團簇，每個Ga原子吸附1個H原子，每個外層N原子吸附2個H原子。計算結(jié)果表明，基態(tài)結(jié)構(gòu)總磁矩為5μB。
　　 最后研究了摻雜離子Co2+和Fe2+在ZnO納晶團簇(粒徑為